串聯(lián)式干氣密封用于重催P-507

馬海余 劉榮剛

（中國石油蘭州石化分公司 蘭州)

一、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及介質(zhì)特性

P-507運(yùn)行轉(zhuǎn)速1475 r/min，入口壓力1.91 MPa，出口壓力2.5 MPa，輸送的介質(zhì)是C3、C4飽和液化石油氣，介質(zhì)溫度45℃，此類介質(zhì)具有獨(dú)特的物理、化學(xué)特性，呈低沸點(diǎn)，易汽化，而且還易燃、易爆、低粘度、高蒸汽壓等特征，一旦大量泄漏到大氣環(huán)境中，將帶來安全隱患，所以選擇好的密封裝置對設(shè)備和生產(chǎn)的連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行非常重要。

二、原裝機(jī)封的故障現(xiàn)象

P-507原裝密封是單端面接觸式機(jī)械密封,其型號為119BN-95，期間曾更換過，改為采用90D-95ZE的波紋管機(jī)械密封。設(shè)備在長期的運(yùn)行過程中，可靠性低、磨損嚴(yán)重、壽命短、噴漏等一直是上述兩類密封裝置的故障現(xiàn)象，使用效果很不理想，而且職工檢修勞動強(qiáng)度大，配件費(fèi)用高。

三、原因分析及改造措施

該泵的密封存在很多難點(diǎn)，主要是由于此類介質(zhì)的特性所致。這些呈低沸點(diǎn)的液體，極易汽化，使摩擦副材料容易脆化、開裂，而且還具有低粘度、高蒸汽壓等特征。此介質(zhì)在密封的摩擦副端面難以形成和維持連續(xù)、穩(wěn)定的流體膜，潤滑不能保證，密封端面間由于摩擦產(chǎn)生的高溫容易導(dǎo)致流體膜汽化，從而導(dǎo)致端面干摩擦，繼續(xù)運(yùn)行，最終密封失效。

檢修人員在檢修過程中，通過拆檢發(fā)現(xiàn)失效后的密封通常會有兩種現(xiàn)象：一是摩擦副端面幾乎沒有接觸的痕跡，即介質(zhì)在端面間形成了過大的液膜反力，將密封面推開，動靜環(huán)分離，造成泄漏；另一種情況是載荷系數(shù)、彈簧比壓過大，壓縮量相對也較大，密封僅運(yùn)行了很短時(shí)間就發(fā)生了嚴(yán)重干摩擦，最終導(dǎo)致密封失效。

針對生產(chǎn)裝置對于現(xiàn)場環(huán)境的要求，充分考慮介質(zhì)特性和原裝密封的故障現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在不改變原設(shè)備結(jié)構(gòu)的情況下，決定對P-507的密封系統(tǒng)進(jìn)行改造。經(jīng)與煉油廠機(jī)動科及四川某密封制造廠認(rèn)真分析、論證，決定試用四川某密封制造廠的一種新型、更為可靠的密封裝置，即機(jī)械密封與干氣密封相組合的串聯(lián)式干氣密封（該密封系統(tǒng)在同類工況下有過成功使用的經(jīng)驗(yàn)）。

四、密封系統(tǒng)的改進(jìn)

1.串聯(lián)式干氣密封的特點(diǎn)

干氣密封顧名思義是指干燥的、潔凈的氣體密封，是一種非接觸式密封。與普通機(jī)械密封最大的區(qū)別在于：干氣密封在密封端面上開設(shè)了流體動壓槽，可以實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸運(yùn)行，從而極大的提高了密封的使用壽命和可靠性；并且簡單、可靠的控制系統(tǒng)能確保干氣密封正常運(yùn)轉(zhuǎn)以保障設(shè)備連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行。P-507上試用的密封系統(tǒng)是干氣密封與接觸式機(jī)械密封的串聯(lián)體，從介質(zhì)側(cè)向大氣側(cè)依次為，第一級為平衡型的機(jī)械密封，是主密封，密封的介質(zhì)為C3、C4芳烴；中間帶有迷宮密封，阻止氮?dú)膺M(jìn)入；第二級為干氣密封，是輔助密封，密封氣是氮?dú)?，密封的是少量從機(jī)械密封泄漏出的并已汽化的介質(zhì)，當(dāng)主密封失效后，輔助密封作為安全密封，保證介質(zhì)不會泄漏到大氣中，如圖1所示。

圖1 串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)P-507運(yùn)行時(shí)，干氣密封與主密封間已通入氮?dú)?，壓力一般?.45 MPa左右，這樣可以大大提高了主密封的背壓，減小了介質(zhì)在端面間由于摩擦熱而汽化的程度，同時(shí)也減小了密封面的磨損，從而延長主密封的使用壽命。主密封泄漏的介質(zhì)進(jìn)入一級、迷宮密封之間的密封腔，密封腔壓力為0.4～0.5 MPa，在此壓力下，泄漏介質(zhì)已經(jīng)為氣相（在原機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中，該泄漏氣體直接向大氣泄漏，造成很大的危害）。該氣相介質(zhì)隨氮?dú)庖黄鹋畔蚋唿c(diǎn)并放空。

2.串聯(lián)式干氣密封的密封機(jī)理

作為主密封的機(jī)械密封比較常見，不作重點(diǎn)介紹，作為輔助密封的干氣密封將做重點(diǎn)分析。上述串聯(lián)式干氣密封從外形結(jié)構(gòu)上與機(jī)械密封相同，同樣由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧、密封圈以及彈簧座等組成。干氣密封環(huán)（可以是動環(huán)，也可以是靜環(huán)）如圖2所示，環(huán)密封面經(jīng)過研磨、拋光，并在其上面加工有流體動壓槽。干氣密封端面上開有微米級螺旋形狀的流體動壓槽。當(dāng)動、靜環(huán)作相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，密封氣體被吸入動壓槽內(nèi)，槽內(nèi)壓力從外徑向內(nèi)徑增加，由于密封壩（螺旋槽根部以外的一段無槽區(qū)）的節(jié)流作用，進(jìn)入密封面的氣體被壓縮，氣體壓力升高。在該壓力作用下，密封面被推開，流動的氣體在兩個(gè)密封面間形成一層很薄的氣膜，厚度一般在3 μm。

圖2 干氣密封端面動壓槽簡圖

在安裝上述試用密封的過程中，要嚴(yán)格檢查串聯(lián)式干氣密封的旋向。本次改造試用的密封為單旋向槽型，在要求的旋向下才可產(chǎn)生開啟力，如裝反或反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生負(fù)的開啟力，而且氣體只有沿設(shè)計(jì)方向進(jìn)入螺旋槽，密封面之間才能形成氣膜，脫離接觸，實(shí)現(xiàn)非接觸效果，達(dá)到密封的目的。如果裝反或設(shè)備出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，則會導(dǎo)致動靜環(huán)直接接觸發(fā)生干摩擦，密封很快燒毀。

當(dāng)氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時(shí)，該氣膜厚度十分穩(wěn)定。由于氣體膜的形成，動靜環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，端面不會直接接觸，極大地改善了密封端面的工作條件，使密封能長周期、安全運(yùn)行。干氣密封處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，沒有流體動壓效應(yīng)，靠密封壩與密封堰的緊密貼合起到密封作用。

3.軸向力平衡分析圖

由于該密封在動力平衡條件下才能實(shí)現(xiàn)密封效果，作用在密封上的力如圖3所示，閉合力Fc，是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力Fo是由端面間的壓力分布對端面面積積分而形成的。在平衡條件下Fc=Fo，運(yùn)行間隙h大約為3 μm。如果由于某種干擾使密封間隙減小，則端面間的壓力就會升高，這時(shí)，開啟力Fo大于閉合力Fc，端面間隙自動加大，直至平衡為止（圖4）。

圖3 Fo=Fc

圖 4 Fo＞Fc

如果擾動使密封間隙增大，端面間的壓力就會降低，閉合力Fc大于開啟力Fo，端面間隙自動減小，密封會很快達(dá)到新的平衡狀態(tài)，如圖5所示。在靜環(huán)和動環(huán)組件之間產(chǎn)生一層穩(wěn)定性相當(dāng)高的氣體薄膜，使得在一般的動力運(yùn)行條件下端面能保持分離、不接觸、不易磨損，延長了使用壽命。

4.影響串聯(lián)式干氣密封性能的主要參數(shù)

影響干氣密封性能的參數(shù)分為結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)。端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封的穩(wěn)定性影響較大，操作參數(shù)對密封的泄漏量影響較大。密封端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣膜剛度的影響

（1）動壓槽形狀的影響。對數(shù)螺旋槽產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)最強(qiáng)，氣膜剛度最大，穩(wěn)定性最好，因此，絕大多數(shù)干氣密封都以對數(shù)螺旋槽作為密封動壓槽。

圖 5 Fc＞Fo

（2）動壓槽深度的影響。流體動壓槽深度與氣膜厚度為同一量級時(shí)密封的氣膜剛度最大。所以，實(shí)際應(yīng)用中，干氣密封的動壓槽深度一般在 3～10 μm。

（3）動壓槽數(shù)量、寬度及長度的影響。干氣密封動壓槽數(shù)量越多，動壓效應(yīng)最強(qiáng)，但當(dāng)動壓槽達(dá)到一定數(shù)量后，再增加槽數(shù)時(shí)，對干氣密封性能影響已經(jīng)很小。此外，動壓槽的寬度、長度對密封性能都有一定的影響。

5.影響密封泄漏量的因素

（1）密封直徑、轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響。密封直徑越大，轉(zhuǎn)速越高，密封環(huán)線速度越大，干氣密封的泄漏量越大。

（2）介質(zhì)壓力對泄漏量的影響。在密封工作間隙一定的情況下，密封氣壓力越高，氣體泄漏量越大。

（3）介質(zhì)溫度、粘度對泄漏量的影響。介質(zhì)溫度對密封泄漏量的影響是通過溫度對介質(zhì)粘度影響而形成的。介質(zhì)粘度增加，動壓效應(yīng)增強(qiáng)，氣膜厚度增加，但同時(shí)流經(jīng)密封端面間隙的阻力增加。因此，其對密封泄漏量的影響不大。

6.串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）主密封機(jī)械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。密封面內(nèi)徑97.5 mm，密封面外徑106 mm，平衡直徑99 mm，載荷系數(shù)0.83，彈簧比壓0.18 MPa，端面比壓0.374 MPa。

（2）輔助密封端面參數(shù)。研究表明，螺旋槽產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)最強(qiáng)，產(chǎn)生的氣膜剛度最大。為此，本套密封采用螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)。對干氣密封端面螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：優(yōu)化時(shí)，以干氣密封具有最佳的氣膜剛度為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)將干氣密封的最大剛漏比作為優(yōu)化的參考目標(biāo)。干氣密封最大剛漏比的物理意義是在密封具有較大氣膜剛度的情況下氣體泄漏量較小。通過廠家干氣密封優(yōu)化軟件優(yōu)化時(shí)，干氣密封輸入?yún)?shù)：介質(zhì)平均黏度 1.42×10-5Pa·s，密封轉(zhuǎn)速 2930 r/min，工作氣膜厚度3 μm，工作壓力 0.5 MPa，密封面外徑 125.5 mm，密封面內(nèi)徑 94.5 mm，平衡直徑 100.2 mm，載荷系數(shù) 0.837 mm，彈簧比壓0.019 MPa，端面比壓0.0726 MPa。

（3）螺旋槽密封面結(jié)構(gòu)。當(dāng)螺旋角為16°，螺旋槽深為設(shè)計(jì)氣膜厚度的3.5倍時(shí)，密封的氣膜剛度、剛漏比和承載能力達(dá)到最大值。當(dāng)槽長與壩長之比＜1.5時(shí)，密封的氣膜剛度和承載能力變化較大，而槽寬壩寬比在0.4～1.2范圍內(nèi)，密封的性能變化則不是很大。一般情況下，干氣密封螺旋槽數(shù)量選擇在10～30為宜。本套干氣密封螺旋槽數(shù)量為12。

7.串聯(lián)式干氣密封的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的接觸式機(jī)械密封相比，串聯(lián)式干氣密封優(yōu)點(diǎn)：密封使用壽命長，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；密封功耗消耗小，僅為接觸式機(jī)械密封的5%；與其他非接觸式密封相比，干氣密封氣體泄漏量?。ń^對不泄漏的密封是沒有的，只是把泄漏量控制在允許的范圍內(nèi)）；可以實(shí)現(xiàn)被密封的介質(zhì)對大氣的零泄漏，（因?yàn)楸幻芊饨橘|(zhì)不會直接泄漏到大氣）是一種環(huán)保型密封；密封輔助系統(tǒng)簡單、可靠，使用中不需要維護(hù)；適用于氣體、液化氣等條件。

8.串聯(lián)式干氣密封的控制系統(tǒng)

圖6 P-507用串聯(lián)式干氣密封控制系統(tǒng)

干氣密封控制系統(tǒng)（圖6）是干氣密封的重要組成部分，主要由密封氣過濾單元和密封氣泄漏監(jiān)測單元組成。干凈的密封氣保證密封面不受顆粒雜質(zhì)的損壞，干氣密封是以微量的氣體泄漏為代價(jià)換取其長周期的使用壽命，泄漏量是否穩(wěn)定直接反映了干氣密封運(yùn)行的狀態(tài)，因此，對干氣密封的泄漏進(jìn)行監(jiān)控為設(shè)備的安全運(yùn)行提供了保障。

在P-507泵用串聯(lián)式干氣密封控制系統(tǒng)中，當(dāng)外部氮?dú)夤芫W(wǎng)氮?dú)膺M(jìn)入控制系統(tǒng)，經(jīng)過濾器，減壓閥后，為干氣密封提供穩(wěn)定、干燥、清潔的密封氣；當(dāng)主密封泄漏過大或氮?dú)鈮毫^低，單向閥起到防止工藝介質(zhì)反串入氮?dú)夤芫W(wǎng)的作用；進(jìn)入密封腔的氮?dú)馀c主密封泄漏的微量工藝介質(zhì)經(jīng)氣液分離器后，氣相介質(zhì)通過節(jié)流孔板排向火炬，液相介質(zhì)則留在氣液分離器，可通過視鏡觀察液體貯存到一定容積時(shí)打開排液口排入排污容器,由此消除安全隱患和避免對環(huán)境造成污染；當(dāng)主密封機(jī)械密封泄漏過大時(shí)，由于限流孔板的作用，密封腔壓力上升，泄漏管線上的壓力表指示上升表明密封失效。干氣密封控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。干氣密封阻塞氣采用工業(yè)氮?dú)猓ń庸霉こ痰牡獨(dú)夤芫€），工作壓力為0.45 MPa。

五、結(jié)論

上述串聯(lián)式干氣密封自2006年6月用于P-507以來，運(yùn)行效果良好，沒有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。說明串聯(lián)式干氣密封在此類介質(zhì)的設(shè)備上完全能夠采用，可以徹底解決原機(jī)械密封帶來的許多問題，為泵及裝置長周期、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行提供有力的保障。